Помощь студентам в учебе
Метод восстановления сигнала для повышения быстродействия цифровых релейных защит
|
Введение 8
1 Методы восстановления сигналов 11
1.1 Причины возникновения искажения формы и величины сигналов тока или
напряжения 12
1.2 Анализ проблемы некорректной работы устройств релейной защиты
вследствие насыщения измерительных трансформаторов 16
1.3 Влияние помех на измерения и восстановление сигнала 25
1.4 Обзор и анализ существующих методов восстановления сигналов 31
Вывод к 1 главе 36
2 Применение синхронизированных векторных измерений (СВИ) 38
2.1 Технология СВИ 39
2.2 Идентификация факта насыщения трансформаторов тока на основе данных
СВИ 44
2.3 Использование данных УСВИ в качестве исходной информации для
резервных защит 54
Вывод ко 2 главе 58
3 Разработка алгоритма определения момента насыщения и восстановления сигнала тока для устройств релейной защиты 60
3.1 Определение интервалов правильной трансформации сигнала 61
3.2 Составление алгоритма восстановления сигнала на основе алгоритма двух
выборок 63
3.3 Разработка надстройки для сервера СВИ 65
Вывод к 3 главе 68
4 Реализация алгоритма определения момента насыщения и восстановления сигнала тока на базе ПК LabView 70
4.1 Создание программы и ее отладка 71
4.2 Оценка реализованного алгоритма на соответствие требованиям по
быстродействию и селективности работы 72
4.3 Физический эксперимент по опробованию алгоритма восстановления
сигнала тока 72
4.4 Оценка погрешности применяемой системы измерений 75
Вывод к 4 главе 75
Заключение 77
Список использованных источников 79
1 Методы восстановления сигналов 11
1.1 Причины возникновения искажения формы и величины сигналов тока или
напряжения 12
1.2 Анализ проблемы некорректной работы устройств релейной защиты
вследствие насыщения измерительных трансформаторов 16
1.3 Влияние помех на измерения и восстановление сигнала 25
1.4 Обзор и анализ существующих методов восстановления сигналов 31
Вывод к 1 главе 36
2 Применение синхронизированных векторных измерений (СВИ) 38
2.1 Технология СВИ 39
2.2 Идентификация факта насыщения трансформаторов тока на основе данных
СВИ 44
2.3 Использование данных УСВИ в качестве исходной информации для
резервных защит 54
Вывод ко 2 главе 58
3 Разработка алгоритма определения момента насыщения и восстановления сигнала тока для устройств релейной защиты 60
3.1 Определение интервалов правильной трансформации сигнала 61
3.2 Составление алгоритма восстановления сигнала на основе алгоритма двух
выборок 63
3.3 Разработка надстройки для сервера СВИ 65
Вывод к 3 главе 68
4 Реализация алгоритма определения момента насыщения и восстановления сигнала тока на базе ПК LabView 70
4.1 Создание программы и ее отладка 71
4.2 Оценка реализованного алгоритма на соответствие требованиям по
быстродействию и селективности работы 72
4.3 Физический эксперимент по опробованию алгоритма восстановления
сигнала тока 72
4.4 Оценка погрешности применяемой системы измерений 75
Вывод к 4 главе 75
Заключение 77
Список использованных источников 79
Современные системы релейной защиты активно используют цифровую обработку аналоговых сигналов, однако, несмотря на применение оптических трансформаторов тока, традиционные трансформаторы тока и напряжения все ещё занимают основную долю измерительных трансформаторов. Статистика технологических нарушений в электрических сетях свидетельствует о более чем 5% случаев отказов по вине измерительных трансформаторов тока и напряжения [1]. Одними из основных проблем традиционных измерительных трансформаторов являются остаточная намагниченность сердечника и наличие апериодической составляющей в первичном токе. Из-за этих явлений трансформаторы переходят в режим насыщения, т.е. когда ток намагничивания растет значительно быстрее рабочего магнитного потока.
В связи с этим особого внимания заслуживает проблема обеспечения правильной работы быстродействующих защит в условиях насыщения традиционных измерительных трансформаторов, так как в режимах глубокого насыщения возникает искажение измеренного сигнала, и, как следствие, используемые алгоритмы некорректно оценивают текущую ситуацию, что приводит к снижению чувствительности и нарушению избирательности защит.
На сегодняшний день существует множество способов решения проблемы работы трансформаторов в режимах насыщения, начиная от использования сердечников, изготовленных из других материалов и другой конструкции, заканчивая постобработкой поступающего сигнала с вторичных выводов трансформаторов. Учитывая то, как быстро развивается и внедряется микропроцессорное оборудование и вместе с ним разработка программных комплексов и надстроек, наиболее актуальным будет рассмотрение указанных проблем в качестве постобработки вторичного сигнала измерительных трансформаторов.
Целью работы является разработка программного комплекса по определению момента насыщения и восстановлению сигнала тока на базе ПК LabView.
Объектом исследования являются измерительные трансформаторы тока и напряжения и устройства РЗА.
Предметом исследования - явление искажения сигналов тока и напряжения измерительных трансформаторов.
В выпускной квалификационной работе для достижения поставленной цели решены следующие основные частные научные задачи:
1. Анализ существующих методов восстановления сигналов тока и выбор наиболее оптимального;
2. Учет влияния помех на корректность восстановления сигнала;
3. Разработка и программная реализация алгоритма определения момента насыщения на основе данных СВИ и восстановления сигнала тока для устройств релейной защиты;
4. Физический эксперимент по опробованию алгоритма восстановления сигнала тока;
5. Оценка погрешности применяемой системы измерений.
Основными применяемыми методами исследования в работе являются: теоретический анализ литературы по теме исследования, метод сравнительного анализа, математическое и физическое моделирование процесса, экспериментальный метод, включающий проведение физического эксперимента, анализ и обобщение полученных данных.
Основные научные результаты состоят в следующем:
1. Произведен анализ существующих методов восстановления сигналов тока и на основе этого выбран наиболее оптимальный;
2. Исследован процесс аналогово-цифрового преобразования, проанализировано влияние помех на него и сделан вывод о недостаточной эффективности фильтрации входного сигнала;
3. Составлен алгоритм определения момента насыщения на основе данных СВИ и восстановления сигнала тока для устройств релейной защиты;
4. Реализован предложенный алгоритм в среде LabView FPGA;
5. Произведен физический эксперимент по опробованию алгоритма восстановления сигнала тока, по результатам которого была отмечена высокая скорость выполнения алгоритма двух выборок;
6. Определены погрешности применяемой системы измерений, а
именно, фазовая погрешность измерения и относительная
некомпенсированная систематическая погрешность применяемых шунтов не превысили допустимых значений.
В связи с этим особого внимания заслуживает проблема обеспечения правильной работы быстродействующих защит в условиях насыщения традиционных измерительных трансформаторов, так как в режимах глубокого насыщения возникает искажение измеренного сигнала, и, как следствие, используемые алгоритмы некорректно оценивают текущую ситуацию, что приводит к снижению чувствительности и нарушению избирательности защит.
На сегодняшний день существует множество способов решения проблемы работы трансформаторов в режимах насыщения, начиная от использования сердечников, изготовленных из других материалов и другой конструкции, заканчивая постобработкой поступающего сигнала с вторичных выводов трансформаторов. Учитывая то, как быстро развивается и внедряется микропроцессорное оборудование и вместе с ним разработка программных комплексов и надстроек, наиболее актуальным будет рассмотрение указанных проблем в качестве постобработки вторичного сигнала измерительных трансформаторов.
Целью работы является разработка программного комплекса по определению момента насыщения и восстановлению сигнала тока на базе ПК LabView.
Объектом исследования являются измерительные трансформаторы тока и напряжения и устройства РЗА.
Предметом исследования - явление искажения сигналов тока и напряжения измерительных трансформаторов.
В выпускной квалификационной работе для достижения поставленной цели решены следующие основные частные научные задачи:
1. Анализ существующих методов восстановления сигналов тока и выбор наиболее оптимального;
2. Учет влияния помех на корректность восстановления сигнала;
3. Разработка и программная реализация алгоритма определения момента насыщения на основе данных СВИ и восстановления сигнала тока для устройств релейной защиты;
4. Физический эксперимент по опробованию алгоритма восстановления сигнала тока;
5. Оценка погрешности применяемой системы измерений.
Основными применяемыми методами исследования в работе являются: теоретический анализ литературы по теме исследования, метод сравнительного анализа, математическое и физическое моделирование процесса, экспериментальный метод, включающий проведение физического эксперимента, анализ и обобщение полученных данных.
Основные научные результаты состоят в следующем:
1. Произведен анализ существующих методов восстановления сигналов тока и на основе этого выбран наиболее оптимальный;
2. Исследован процесс аналогово-цифрового преобразования, проанализировано влияние помех на него и сделан вывод о недостаточной эффективности фильтрации входного сигнала;
3. Составлен алгоритм определения момента насыщения на основе данных СВИ и восстановления сигнала тока для устройств релейной защиты;
4. Реализован предложенный алгоритм в среде LabView FPGA;
5. Произведен физический эксперимент по опробованию алгоритма восстановления сигнала тока, по результатам которого была отмечена высокая скорость выполнения алгоритма двух выборок;
6. Определены погрешности применяемой системы измерений, а
именно, фазовая погрешность измерения и относительная
некомпенсированная систематическая погрешность применяемых шунтов не превысили допустимых значений.
Проблема, поставленная в данном исследовании, является достаточно обширной, затрагивающей множество связанных вопросов и обсуждений. Также указанные задачи в работе характеризуется невозможностью поиска их однозначного и единственно верного решения. Однако в своих исследованиях мы постарались найти наиболее оптимальный путь.
Изначально был выявлен первый и самый распространенный источник искажений, провалов и шумов в сигналах токов или напряжений - высшие гармоники. Второй источник, который частично является следствием первого, - это явление насыщения измерительных трансформаторов.
Именно вследствие насыщения измерительных ТТ устройства РЗА некорректно срабатывают и приводят к огромным системным авариям, обзор и анализ которых был произведен в первой главе работы. Масштабы последствий от подобных аварий (деление энергосистемы, отключение более 2000 МВт потребителей) доказывают актуальность исследований по выбранной теме.
Установлено, что в настоящее время ещё не найдено универсальное решение задачи формирования по параметрам вторичного тока сигнала, пропорционального первичному току ТТ, которое может быть успешно использовано в различных видах устройств релейной защиты.
Также на основании проведенного ряда экспериментов был сделан вывод о том, что технология СВИ может быть применена для определения момента насыщения ТТ, посредством измерения изменения угла вторичного тока ТТ.
По причине того, что в режимах глубокого насыщения трансформатора возникает искажение измеренного сигнала, используемые алгоритмы некорректно оценивают текущую ситуацию. Это приводит к снижению чувствительности и нарушению избирательности защит. Для решения данной проблемы нами был предложен алгоритм восстановления сигналов тока и напряжения, в основу которого положен алгоритм двух выборок, широко применяемый в технике цифровой обработки сигналов и не требующий значимых затрат машинного времени.
На основе составленного алгоритма было реализовано ПО в среде LabView FPGA, которое в процессе физического эксперимента было протестировано и оценено на наличие погрешностей. Была отмечена высокая скорость выполнения алгоритма двух выборок, реализованного в ПТК LabView FPGA (125 тактов машинного времени), фазовая погрешность измерения и относительная некомпенсированная систематическая погрешность применяемых шунтов не превысили допустимых значений.
В итоге мы получили готовое решение проблемы неправильного срабатывания УРЗА вследствие насыщения измерительных ТТ, заключающееся в использовании алгоритма восстановления сигнала тока на основе данных, получаемых от УСВИ, и интегрированное с резервными защитами. Если установить данное ПО, например, на АРМ инженера подстанции, то можно исключить появление огромных аварий в энергосистеме, в результате которых выходит из строя дорогостоящее оборудование, а также отключается значительная доля потребителей.
Изначально был выявлен первый и самый распространенный источник искажений, провалов и шумов в сигналах токов или напряжений - высшие гармоники. Второй источник, который частично является следствием первого, - это явление насыщения измерительных трансформаторов.
Именно вследствие насыщения измерительных ТТ устройства РЗА некорректно срабатывают и приводят к огромным системным авариям, обзор и анализ которых был произведен в первой главе работы. Масштабы последствий от подобных аварий (деление энергосистемы, отключение более 2000 МВт потребителей) доказывают актуальность исследований по выбранной теме.
Установлено, что в настоящее время ещё не найдено универсальное решение задачи формирования по параметрам вторичного тока сигнала, пропорционального первичному току ТТ, которое может быть успешно использовано в различных видах устройств релейной защиты.
Также на основании проведенного ряда экспериментов был сделан вывод о том, что технология СВИ может быть применена для определения момента насыщения ТТ, посредством измерения изменения угла вторичного тока ТТ.
По причине того, что в режимах глубокого насыщения трансформатора возникает искажение измеренного сигнала, используемые алгоритмы некорректно оценивают текущую ситуацию. Это приводит к снижению чувствительности и нарушению избирательности защит. Для решения данной проблемы нами был предложен алгоритм восстановления сигналов тока и напряжения, в основу которого положен алгоритм двух выборок, широко применяемый в технике цифровой обработки сигналов и не требующий значимых затрат машинного времени.
На основе составленного алгоритма было реализовано ПО в среде LabView FPGA, которое в процессе физического эксперимента было протестировано и оценено на наличие погрешностей. Была отмечена высокая скорость выполнения алгоритма двух выборок, реализованного в ПТК LabView FPGA (125 тактов машинного времени), фазовая погрешность измерения и относительная некомпенсированная систематическая погрешность применяемых шунтов не превысили допустимых значений.
В итоге мы получили готовое решение проблемы неправильного срабатывания УРЗА вследствие насыщения измерительных ТТ, заключающееся в использовании алгоритма восстановления сигнала тока на основе данных, получаемых от УСВИ, и интегрированное с резервными защитами. Если установить данное ПО, например, на АРМ инженера подстанции, то можно исключить появление огромных аварий в энергосистеме, в результате которых выходит из строя дорогостоящее оборудование, а также отключается значительная доля потребителей.